CN106270641B - 液压自旋进水下带压双钻开孔装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种液压自旋进水下带压双钻开孔装置，应用于海底管道不停输开孔作业。该水下带压双钻开孔装置与海底管道接入装置有机结合，液压进给系统依据液压多动力进给机构提供轴向推进动力并依靠导向机构实现双钻刀具的液压自旋进，开孔总成提供开孔动力并通过旋转的空心钻杆将动力传递至双钻刀具，自对中器依据自动对中机构保证空心钻杆旋进中的自动对中，双钻刀具采用内外双层同轴心布置的钻头，对海管实施先内钻定位和后外钻开孔的带压双钻开孔作业，双向限位器依据上下双向锁紧机构实现钻头开孔中的自动双向限位，密封总成依据填料和迷宫多重密封技术保证空心钻杆旋进中的密封，而开孔控制系统远程自动调控作业中密封总成的超压工况。

Description

液压自旋进水下带压双钻开孔装置

技术领域

本发明涉及一种水下生产系统海底管道带压开孔时用的装置，特别是涉及一种水下不停输工况下的液压自旋进带压双钻开孔装置及其开孔方法。

背景技术

海上油气介质等物流输送是海洋工程开发方案中的最重要研究内容之一，水下海管带压开孔技术作为一种特殊形式的海上油气输送开发解决方案，可以大幅度降低油气田开发投资成本，为深水油田和边际油田的开发提供了新的技术支持。

目前，国外水下开孔技术已经从浅海带压开孔发展到深水作业，保证了海上开发范围向深海延伸管道施工和维修的顺利进行，如T.D.Williamson公司和IPSCO公司等已研制出相应的水下带压开孔设备，并在多处水下海管施工中成功应用，然而国外公司通常不出售此类设备，只提供技术上的服务，且其相关施工作业费用较贵。国内带压开孔技术起步较晚，为了弥补油气输送管道维修技术上的不足，相继研制出了具有高水平的陆用不停输带压开孔设备，并对水下海管开孔技术进行了研究，取得了一定的进展，目前海上油田的改造工程项目还主要是借鉴陆上油田带压开孔经验。带压开孔技术是在原有工艺管道上直接焊接三通法兰短节并安装阀门和法兰，对三通、法兰和阀门进行密闭性试验以保证焊缝无泄漏，然后将开孔机安装在阀门上并进行手动进刀和无负荷启动液压站及开孔机，通过标尺杆表明钻杆行程且开孔结束后再次手动退回全部钻杆，关闭阀门，最后从阀门上拆卸开孔机，可以看出这种带压开孔技术需要采用氮气来完全置换出开孔机、阀门及三通所构成密闭空间中的空气并保证刀具处于无氧环境中实施切割，操作难度系数较大且不适用于海底管道水下特殊工况；同时三通短节需要焊接到原有工艺管道上且需要进行密闭性试验，这些都不适合水下操作；此外，开孔机的进刀和钻杆的退回均需要手动操作，也不适用于水下海底管道的施工作业。

发明内容

为了有效解决海底管道水下不停输开孔问题并克服现有带压开孔技术应用于水下作业时存在的缺陷和不足，本发明的目的是提供一种适合水下海底管道不停输开孔用的液压自旋进带压双钻开孔装置。该水下带压双钻开孔装置与海底管道接入装置有机结合，同时依据内外双层钻头、自动对中机构、上下双向锁紧机构、液压多动力进给机构以及填料和迷宫多重密封技术实现水下海底管道的带压开孔，具备液压自旋进、钻杆自对中、钻头自动双向限位和带压双钻开孔等特点，尤其适用于深水油田和边际油田海底管道油气并流不停输作业的快速开孔要求。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是开发一种液压自旋进水下带压双钻开孔装置，主要由开孔总成、双钻刀具、密封总成、自对中器、双向限位器、液压进给系统和开孔控制系统几部分组成。水下带压开孔作业中，整套水下带压双钻开孔装置通过密封总成下端的密封盘和填料盘而接于海底管道接入装置，并一起通过吊机吊装至海底管道的开孔部位，水下带压双钻开孔装置依据液压进给系统提供的轴向推进动力完成液压自进给和自退刀的自旋进运动，同时通过开孔总成完成旋转运动并经空心钻杆将动力传递至双钻刀具，然后对海底管道实施先内钻定位和后外钻开孔的作业，双向限位器实现钻头开孔过程中的自动双向限位，且自对中器保证空心钻杆旋进过程中的自动对中，同时密封总成实现空心钻杆旋转、进给和退刀运动中的密封，而开孔控制系统则远程自动调控作业中密封总成的超压工况。

开孔总成用来提供开孔动力，并通过空心钻杆的旋转运动将动力传递至双钻刀具，它包括水下电机、联轴套、支撑筒、空心钻杆和导向花键。水下电机采用充水式高压潜水异步电动机，其转子采用永磁材料制造，不需要励磁，且其定子电流的无功分量小，水下电机的内腔充满防锈润滑液。水下电机的转子输出端通过联轴套与空心钻杆连为一体，同时水下电机的端盘通过支撑筒而座于自对中器上，联轴套采用凸缘式分片构造并通过铰接螺栓进行固定，而支撑筒则采用厚壁筒体且其两端设置法兰盘。

空心钻杆采用空心管体并通过旋转来传递动力，其外环面采用变截面阶梯回转面，它包括上下轴头、上下轴颈和轴身，空心钻杆的材质选用耐磨、高强和热变形小的调质合金钢38CrMoAlA。上轴头采用通孔管体，其外壁上铣有平键槽，安装平键后与联轴套进行联接；而下轴头则采用盲孔管体，其下端设置法兰盘并通过紧定螺钉而下接双钻刀具，同时下轴头的下部加工有分层布置的方孔，且其下层方孔的两侧面钻有拱形孔壁。上下轴颈的杆径相等，而上轴颈的杆长则小于下轴颈的杆长，且下轴颈的杆长大于双钻刀具液压自旋进运动的进程；上下轴颈的外壁均铣有沿圆周方向均匀排列的花键槽，各花键槽内配置导向花键，各导向花键顶部的拱形柱面处于与空心钻杆同轴心的同一圆柱面上；上下轴颈的外壁以及各导向花键的两侧端面均进行精细加工，且上下轴颈的导向花键分别与上部和下部自对中器的衬套进行配合。轴身上连上轴颈而下接下轴颈，其杆径与上下轴头的杆径相等。

双钻刀具采用内外双层同轴心布置的钻头，对海底管道实施先内钻定位和后外钻开孔的带压双钻开孔作业，它包括内钻头和外钻头。内钻头采用长杆体，其上端的内钻接头由方径接头和拱形接头组成，并与空心钻杆下轴头的方孔相配合，而实现内钻头周向的定位；钻盘上连内钻接头而下接钻头杆，钻盘外径等于空心钻杆下端法兰盘的外径。钻头杆的杆壁上加工有钻槽，钻槽采用双头结构并沿内钻头的轴线对称布置，钻槽的槽线为沿内钻头外环面展开的螺旋线，钻槽槽线起始点的切线与内钻头的轴线相平行，且钻槽槽线的展开线与内钻头轴线间的螺旋角小于40°；钻头杆垂直于钻槽槽线的法面端面呈拱形，该法面端面的宽度由下而上先是保持不变，而后在钻槽槽线顶端的二分之一螺距处开始逐渐收缩并在钻槽槽线的终点处缩为一点，以便于钻孔过程中的铁屑可以随钻孔液及时排出。钻头杆底端钻槽的两槽壁上均加工有切削刃，沿切削方向的切削刃依次由主切削刃、切削面和副切削刃组成，切削面呈倒圆锥面，其锥度大于135°，切削面的中心线与内钻头的轴线重合，且主切削刃和副切削刃的刃线均为切削面上的一条锥线，主切削刃和副切削刃在切削面上的刃线交错处加工有横刃，横刃的刃线与主切削刃刃线间的夹角小于45°。

外钻头采用扁平状筒体，其外径等于海底管道开孔的直径，外钻头筒体上端的盘体中央加工有与空心钻杆下轴头的下层方孔相同形状和规格的方孔，并与内钻头的拱形接头相配合，同时外钻头筒体上端盘体的四周与钻盘和空心钻杆下端的法兰盘均钻有相同数量和规格大小的柱形螺钉孔；外钻头筒体的下端加工有沿圆周方向均匀布置的切削齿，切削齿的轮廓线采用组合曲线，沿切削方向的轮廓线呈下凹弧线，该下凹弧线下端点的切线与外钻头的轴线相平行，以保证外钻头的切削力；而切削齿逆着切削方向的轮廓线上部呈下凹弧线而轮廓线下部呈上凸弧线，逆着切削方向的下凹弧线与上凸弧线的结合处相切，且逆着切削方向的上凸弧线与沿切削方向下凹弧线下端交点处的切线与外钻头的轴线相垂直，而逆着切削方向的下凹弧线与沿切削方向下凹弧线上端的结合处相切。外钻头筒体的外壁上加工有螺旋沟槽，各螺旋沟槽与切削齿交错排列，且螺旋沟槽的槽宽等于切削齿的齿隙，螺旋沟槽的槽线为沿外钻头筒体外环面展开的螺旋线，垂直于螺旋沟槽槽线的法面端面为等腰梯形，同时螺旋沟槽外宽内窄以便于携带有铁屑的钻孔液顺利甩出外钻头。外钻头的螺旋沟槽内钻有分层布置的圆孔，各层间的圆孔交错排列且圆孔的孔径由下而上依次减小，以适应钻孔液量的变化。

密封总成依据填料和迷宫多重密封技术实现空心钻杆旋转、进给和退刀运动中的密封，并将密封盒的环腔分隔成上下两个密封腔，两密封腔内填满含冷却液和防腐剂的钻孔液，以保证开孔过程中空心钻杆的充分冷却，同时避免空心钻杆发生腐蚀，它包括迷宫密封器、填料密封器、密封盒和下支座，下支座均匀分布于迷宫密封器中密封盘的外环面，密封盒采用长筒体，并同轴心对称布置于上部自对中器的两侧端，密封盒的两端设置有同样规格的法兰盘。迷宫密封器采用上下双层盘式迷宫密封，并同轴心对称布置于密封盒的两侧端，它由密封盘和密封环组成，密封盘的环腔内壁加工有等间距分层排列的环形凹槽，同时密封环的外壁相同位置处设置同样规格的环形凹槽，密封盘和密封环的各环形凹槽对称布置并构成分层的环形油腔，且各环形油腔及其联通的空腔内均填充满油液而由此形成迷宫密封，密封环的环腔内壁沿轴向均匀布置有沟槽并配置○形密封圈。填料密封器采用圆盘式构造，并由填料盘、压盖和填料组成，填料盘的环腔内壁采用阶梯回转面，其变截面结合处配置压盖，压盖通过螺纹联接压紧填料而形成填料密封。

自对中器依据上下同轴心布置的双排列圆锥滚子轴承组成自动对中机构，从而实现空心钻杆旋进过程中的自动对中，自对中器含有上下布置的两个结构和规格尺寸完全相同的单体，两单体均由对中本体、圆锥滚子轴承、轴承端盖、衬套、上支座和注油塞组成，每列圆锥滚子轴承配置一个轴承端盖。对中本体采用圆盘式构造，其材质选用超级双向不锈钢，对中本体的中央钻有轴承孔，该轴承孔呈圆柱形且其环腔内壁进行精细研磨，轴承孔内嵌与之过盈配合的双排列圆锥滚子轴承；对中本体轴承孔的四周车制沿圆周方向均匀布置的螺钉孔，并通过联接螺钉与轴承端盖的法兰盘联接在一起，轴承端盖的法兰盘与支撑筒的环腔内壁间采用间隙配合，同时轴承端盖的侧端设有圆环形凸台，该圆环形凸台的外径小于圆锥滚子轴承外圈的直径，以实现圆锥滚子轴承外圈的定位。对中本体的四周与水下电机的端盘以及支撑筒两端的法兰盘均钻有相同数量和规格大小的圆形孔眼，水下电机端盘和支撑筒上端法兰盘的各圆形孔眼内依次配置紧定螺栓进行联接。对中本体中部的盘壁上车制有带螺纹的注油孔并内嵌入注油管，用于及时补充对中本体轴承孔内的润滑脂，且该注油孔与对中本体四周的圆形孔眼错开布置，注油管采用环形管体，注油管的内外环壁上均加工有密封性管螺纹并与注油塞进行联接，实现润滑脂的封存。

衬套配置于两个圆锥滚子轴承之间并分别套于空心钻杆上下轴颈的外环面上，其材质选用粉末冶金材料，衬套的外环面与圆锥滚子轴承的内圈间采用过盈配合，同时衬套的中部设置有台肩，该台肩的外径小于圆锥滚子轴承内圈的外径，并实现圆锥滚子轴承内圈的定位。衬套的环腔内壁上钻有等间距分层布置的盲孔，各层面间的盲孔交错排列，各盲孔内充满油液而使衬套与空心钻杆上下轴颈的接触面间始终保持有油膜，以保证润滑效果。而且，衬套的环腔内壁铣有沿圆周方向均匀布置的导向沟槽，各导向沟槽的槽宽及其位置与空心钻杆上下轴颈的花键槽相同，且各导向沟槽的槽顶面加工有与导向花键顶部相同的拱形柱面，同时各导向沟槽的槽壁与导向花键精密配合而组成单自由度的轴向移动副。

上支座均匀分布于对中本体的外环面，上支座和下支座的组数及其位置均与液压驱动系统的液压缸相同，每组上支座和下支座均含有两个平行放置的分支座，所有分支座的规格尺寸相同，每个分支座均采用矩形钢板，且上支座与各上销轴配合而下支座与各下销轴配合以实现液压进给系统与自对中器和密封总成间的联接。

双向限位器依据上下分层排列的限位本体和锁紧体组成上下双向锁紧机构，从而实现钻头开孔过程中的自动双向限位，它包括限位本体、锁紧体、基筒和滑移筒，其中限位本体、基筒和滑移筒的材质选用超级双向不锈钢。限位本体采用圆柱形厚壁筒体，其外环面的下部通过螺纹与滑移筒相连，且限位本体的下端面与滑移筒的下端面保持平齐，限位本体的环腔内壁与空心钻杆的轴身精密配合而构成转动副。限位本体的筒壁上钻有分层排列的柱形盲孔，每层柱形盲孔设有四个且沿圆周方向均匀布置，每个柱形盲孔的底部加工有定位轴，该定位轴采用阶梯轴结构，且定位轴变截面结合处形成轴肩来定位贯穿其外的弹簧。

锁紧体配置于限位本体的各柱形盲孔内，它由限位销和弹簧组成，其中限位销的材质选用35CrMo并调质处理，而弹簧选用65Mn，限位销采用阶梯轴结构，它包括滑移销和定位销，滑移销的外环面与限位本体柱形盲孔的孔壁间采用间隙配合同时与滑移筒的圆形孔眼精密配合而构成移动副；滑移销靠近基筒的端部设置锲形坡口，上层限位销的锲形坡口朝下布置而下层限位销的锲形坡口朝上布置，由此实现锁紧体的上下双向自动解锁。滑移销的外侧端面采用拱形柱面，该拱形柱面与基筒内壁滑移沟槽精密配合而组成单自由度的轴向移动副；滑移销的内侧端面与定位销的截面变化处形成轴肩，共同定位贯穿其外的弹簧，通过弹簧的伸缩运动实现锁紧体的上下双向自动锁紧和双向限位。

基筒和滑移筒均采用长筒体构造，并且由外而内同轴心布置，基筒的环腔内壁与滑移筒的外表面精密配合而构成移动副，基筒的下端和滑移筒的上端分别布置法兰盘。滑移筒下部的筒壁上钻有分层排列的圆形孔眼，各圆形孔眼的孔径与锁紧体中限位销的外径相同，且各圆形孔眼分别与限位本体的柱形盲孔一一对应并同轴心放置。基筒的上部和下部分别钻有与滑移筒圆形孔眼同样数量和规格大小的上限位孔和下限位孔，基筒上限位孔的孔壁上切有与上层限位销相配合的锲形坡口，同时下限位孔的孔壁上切有与下层限位销相配合的锲形坡口；下层限位销滑移至下限位孔后带压双钻开孔作业结束，而上层限位销滑移至上限位孔后自退刀作业结束。此外，基筒内壁沿各上限位孔和下限位孔之间的位置铣有滑移沟槽，各滑移沟槽的截面呈拱形。

基筒和滑移筒的法兰盘与对中本体的四周、迷宫密封器的密封盘、填料密封器的填料盘、密封盒两端的法兰盘均钻有相同数量和规格大小的圆形孔眼，各圆形孔眼内依次配置联接螺柱从而将开孔总成、自对中器、双向限位器和密封总成顺次联接成一个整体。

液压进给系统依据液压多动力进给机构提供轴向推进动力，并依据双向限位器中限位销和基筒内壁滑移沟槽间的配合以及开孔总成中导向花键和自对中器中衬套内壁导向沟槽间的配合共同构成导向机构，从而完成双钻刀具的液压自旋进功能。液压进给系统采用沿轴向均匀布置的四个独立液压缸，所有独立液压缸的液压油均通过供油泵统一供给和多路换向阀单独分配，实现双钻刀具的自动同步旋进。供油泵采用变排量柱塞泵并通过电机进行驱动，供油泵排出的液压油流量可以从零无级调整至最大量，以保证空心钻杆进给运动的速度可以从零到最大连续变化。所有独立的液压缸均采用活塞式油缸，通过两端进出油口的通油或回油完成双向运动，液压缸的缸筒通过下销轴与上部迷宫密封器进行固定，而其活塞杆则通过上销轴与上部自对中器进行锚定，且上销轴与下销轴的轴端均配置有开口销加以固定。储能器用于卡钻工况下继续提供带有压力的液压油并将液压油供给至液压缸，由此控制工作负载并持续进行钻孔。滤油器安装于液压进给系统的回油管路上，液压油罐采用方形储罐并容纳系统循环所需的液压油。

开孔控制系统用于密封总成超压工况时的压力及时释放以及远程自动关闭并停止原有海底管道内油气的泄入。开孔控制系统设置压力安全阀，开孔后，原有海底管道内的油气流入密封总成而导致其密封盒出现超压工况时，压力安全阀通过机械作用及时释放压力。同时，开孔控制系统通过实时监测密封总成内的压力状况，并经气电转换器将超压信号转换成气信号，自动控制密封盒上的紧急关断阀，进而关闭并停止原有海底管道内的油气向密封盒中继续泄入。

该水下带压双钻开孔装置的液压自旋进作业流程为，打开液压进给系统，各液压缸的液压油通过供油泵和多路换向阀经缸筒的出油口进行回油，双向限位器中上层限位销自动解锁，依据活塞杆提供的轴向推进动力以及上层和下层限位销与基筒内壁滑移沟槽间所构成的轴向移动副，开孔总成、双向限位器的滑移筒、上部的自对中器和双钻刀具一起沿着基筒朝下移动，在此过程中，开孔总成提供开孔动力并经空心钻杆完成双钻刀具的旋转运动，待双向限位器中下层限位销滑移至基筒的下限位孔后，各液压缸的出油口停止回油，同时关闭开孔总成的水下电机，由此完成液压自进给作业；然后，各液压缸的液压油经缸筒进油口进行通油，下层限位销自动解锁，依据活塞杆提供的轴向推进动力以及上层和下层限位销与基筒间的轴向移动副，开孔总成、滑移筒、上部自对中器和双钻刀具一起沿着基筒朝上移动，待上层限位销滑移至基筒的上限位孔后，各液压缸的进油口停止通油，由此完成液压自退刀作业。

该水下带压双钻开孔装置的水下带压双钻开孔作业流程为，依据液压进给系统提供朝下的轴向推进动力和下部自对中器衬套的导向沟槽与开孔总成导向花键间所构成的轴向移动副，双钻刀具随空心钻杆进行液压自进给运动，同时通过开孔总成完成旋转运动并经空心钻杆将动力传递至双钻刀具，首先通过内钻头对海底管道实施内钻定位作业，然后双钻刀具继续旋进，再通过外钻头对海底管道实施外钻开孔作业，待双向限位器中下层限位销滑移至基筒的下限位孔后双钻开孔作业结束，双钻刀具退刀时所钻下来的海底管道切片位于内钻头和外钻头之间的环形空腔中并随空心钻杆一起退回；双钻刀具旋进过程中，自对中器依据两组双排列圆锥滚子轴承保证空心钻杆和双钻刀具始终自动对中，同时密封总成依据填料和迷宫多重密封技术实现双钻刀具随空心钻杆旋进中的密封。

本发明所能达到的技术效果是，该水下带压双钻开孔装置与海底管道接入装置有机结合，同时依据内外双层钻头、自动对中机构、上下双向锁紧机构、液压多动力进给机构以及填料和迷宫多重密封技术实现水下海底管道的带压开孔；液压进给系统依据液压多动力进给机构提供轴向推进动力并依靠导向机构完成双钻刀具的液压自旋进功能，开孔总成提供开孔动力并通过空心钻杆的旋转运动将动力传递至双钻刀具，自对中器依据自动对中机构保证空心钻杆旋进过程中的自动对中，双钻刀具采用内外双层同轴心布置的钻头，对海底管道实施先内钻定位和后外钻开孔的带压双钻开孔作业，双向限位器依据上下双向锁紧机构实现钻头开孔过程中的自动双向限位，密封总成依据填料和迷宫多重密封技术保证空心钻杆旋转、进给和退刀运动中的密封，而开孔控制系统则远程自动调控作业中密封总成的超压工况。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明，但本发明并不局限于以下实施例。

图1是根据本发明所提出的液压自旋进水下带压双钻开孔装置的典型结构简图。

图2是图1的A—A剖视图。

图3是图1的B—B剖视图。

图4是液压自旋进水下带压双钻开孔装置中开孔总成和自对中器的结构简图。

图5是液压自旋进水下带压双钻开孔装置中双向限位器的结构简图。

图6是液压自旋进水下带压双钻开孔装置中密封总成和双钻刀具的结构简图。

图7是双钻刀具中内钻头和外钻头的结构简图。

图8是液压自旋进水下带压双钻开孔装置中液压进给系统和开孔控制系统的流程图。

图9是液压自旋进水下带压双钻开孔装置的液压自旋进作业流程简图。

图10是液压自旋进水下带压双钻开孔装置的水下带压双钻开孔作业流程简图。

图中1－开孔总成，2－液压进给系统，3－双向限位器，4－自对中器，5－密封总成，6－双钻刀具，7－水下电机，8－联轴套，9－支撑筒，10－上支座，11－空心钻杆，12－导向花键，13－注油塞，14－圆锥滚子轴承，15－轴承端盖，16－衬套，17－对中本体，18－滑移筒，19－基筒，20－限位本体，21－锁紧体，22－迷宫密封器，23－下支座，24－密封盒，25－填料密封器，26－外钻头，27－内钻头，28－外钻头筒体，29－切削齿，30－内钻接头，31－钻盘，32－钻头杆，33－切削刃，34－供油泵，35－液压油罐，36－滤油器，37－储能器，38－上销轴，39－活塞杆，40－缸筒，41－下销轴，42－压力安全阀，43－紧急关断阀。

具体实施方式

在图1～图3中，液压自旋进水下带压双钻开孔装置由开孔总成1、液压进给系统2、双向限位器3、自对中器4、密封总成5、双钻刀具6和开孔控制系统组成。该水下带压双钻开孔装置组装前，开孔总成1的支撑筒、双向限位器3的基筒、自对中器4的对中本体以及密封总成5主体部件的外表面分别进行喷漆防腐处理。该水下带压双钻开孔装置组装时，下部的自对中器4和密封总成5顺次套入开孔总成1的空心钻杆上，并保证开孔总成1的导向花键与下部自对中器4的衬套间的精密配合；然后，将双向限位器3套入开孔总成1的空心钻杆上，通过双向限位器3的滑移筒上连上部自对中器4以及由双向限位器3的基筒下接密封总成5，并保证双向限位器3的锁紧体与基筒之间以及开孔总成1的导向花键与上部自对中器4的衬套之间的精密配合；接着，依靠支撑筒将开孔总成1座于上部自对中器4上，然后通过上支座和下支座与液压进给系统2液压缸间的铰接将自对中器4和密封总成5联接在一起，并由四个液压缸构成液压进给系统2的液压多动力进给机构来提供轴向推进动力；最后，双钻刀具6通过紧定螺钉而接于空心钻杆的法兰盘上。

在图1～图3中，该水下带压双钻开孔装置调试时，开孔总成1的导向花键沿着上部和下部自对中器4的衬套可以灵活滑移且无阻滞，开孔总成1的空心钻杆与双向限位器3的锁紧体以及密封总成5的迷宫密封器之间可以灵活转动，双向限位器3依据上下双向锁紧机构应可以双向自动锁紧和双向限位，液压进给系统2的各液压缸可以正常的通油和回油，并保持开孔总成1的支撑筒、双向限位器3的基筒和滑移筒以及密封总成5的密封盒内壁的清洁。同时，依次检查液压进给系统2和开孔控制系统各阀门的开关是否正确，检查自对中器4对中本体内是否填充润滑脂，检查密封总成5迷宫密封器的各环形油腔及其联通的空腔内是否填充满油液，检查双钻刀具6的内外钻头、密封总成5填料密封器的填料以及迷宫密封器的密封圈和其盘式迷宫密封有无损伤，检查各销轴和螺纹联接处是否牢固且有无锈蚀。

在图1～图3中，该水下带压双钻开孔装置的带压开孔方法为同时实施水下液压自旋进作业和水下带压双钻开孔作业，液压进给系统2依据液压多动力进给机构和导向机构实现双钻刀具6的液压自旋进，开孔总成1通过空心钻杆将动力传递至双钻刀具6，同时自对中器4依据自动对中机构保证空心钻杆的自动对中，然后由采用内外双层钻头的双钻刀具6实施带压双钻开孔作业，双向限位器3依据上下双向锁紧机构实现钻头的自动双向限位，密封总成5依据填料和迷宫多重密封技术保证空心钻杆的密封，由此完成海底管道油气并流不停输作业的快速开孔。

在图4中，开孔总成1中水下电机7的型号和功率的选取需考虑钻孔作业中的最大瞬时功耗，空心钻杆11的截面以及紧定螺钉的数量和螺纹强度依据钻孔作业中双钻刀具6所施加的最大弯矩和扭矩的合力进行设计，空心钻杆11的下轴颈以及与其配合的导向花键12的轴向长度则依据双钻刀具6液压自旋进运动的进程进行调整，同时自对中器4中的圆锥滚子轴承14依据空心钻杆11上轴颈和下轴颈的杆径进行选型。

在图4中，开孔总成1中水下电机7通过支撑筒9而固定于上部自对中器4的对中本体17上，并通过联轴套8与空心钻杆11连为一体，从而将水下电机7的开孔动力传递至双钻刀具6，导向花键12与自对中器4中衬套16内壁导向沟槽间进行配合而构成导向机构，上支座10均匀分布于对中本体17的外环面上，打开注油塞13并通过向对中本体17盘壁上的注油管内注入润滑脂来保证圆锥滚子轴承14的润滑，轴承端盖15用来定位圆锥滚子轴承14的外圈并封存住对中本体17轴承孔内的润滑脂。

在图5中，双向限位器3中滑移筒18的内径依据圆锥滚子轴承14的外圈直径和轴承端盖15的法兰盘直径进行设计，限位本体20的环腔内壁直径与空心钻杆11轴身的直径保持一致，而基筒19上限位孔和下限位孔间的轴向间距则依据双钻刀具6液压自旋进运动的进程进行调整。

在图5中，双向限位器3中上下分层排列的锁紧体21配置于限位本体20上下分层的各柱形盲孔内并由此构成上下双向锁紧机构，实现双钻刀具6的上下双向自动锁紧和双向限位，同时锁紧体21的滑移销与基筒19内壁滑移沟槽和滑移筒18的圆形孔眼间均保持精密配合，从而保证滑移筒18沿着基筒19的环腔内壁做单一方向的轴向滑移运动。

在图6中，密封总成5的迷宫密封器22和填料密封器25的规格依据空心钻杆11中的轴身和下轴头的杆径以及密封盒24中钻孔液的压力进行选型，密封盒24的容积依据上下两个密封腔中所需要的钻孔液体积进行调整；双钻刀具6中外钻头26的外径依据海底管道开孔的直径进行选取，外钻头26的轴向长度和内钻头27高出外钻头26的杆长均需要大于海底管道开孔部位管段的壁厚。

在图6中，密封总成5依据上层迷宫密封器22的盘式迷宫密封和○形密封圈保证空心钻杆11旋进中轴身处的密封，并通过下层迷宫密封器22的盘式迷宫密封和○形密封圈以及填料密封器25的填料密封实现空心钻杆11旋进中下轴头处的密封，下支座23均匀分布于迷宫密封器22中密封盘的外环面上，密封盒24的上下密封腔内填满钻孔液以保证开孔过程中空心钻杆11的冷却及其防腐；在钻孔作业中，双钻刀具6通过内钻头27先实施内钻定位作业，然后再依靠外钻头26实施外钻开孔作业。

在图7中，外钻头26中切削齿29的强度和刚度以及内钻头27中钻头杆32和切削刃33的强度和刚度均需要考虑钻孔作业中海底管道开孔部位施加给双钻刀具6的最大弯矩和扭矩的合力进行设计，外钻头筒体28外壁上的螺旋沟槽槽宽与螺旋沟槽内分层圆孔的数量和规格大小以及钻头杆32杆壁上的钻槽槽宽均依据钻孔过程中携带铁屑的钻孔液流量进行调整。

在图7中，钻孔作业中，外钻头26的切削齿29通过其齿面上流动的钻孔液进行冷切并避免腐蚀，同时切削下来的铁屑通过钻孔液携带经外钻头筒体28螺旋沟槽内分层排列的圆孔并由螺旋沟槽顺利甩出；同样，内钻头27的切削刃33通过其切削面上流动的钻孔液进行冷切并避免腐蚀，同时切削下来的铁屑通过钻孔液携带经钻头杆32的钻槽及时排出；内钻接头30与空心钻杆11的下轴头进行配合，同时钻盘31和外钻头筒体28的上端盘体通过紧定螺钉进行联接，从而实现外钻头26和内钻头27在空心钻杆11下端法兰盘上的定位。

在图8中，液压进给系统2配置四个独立液压缸构成液压多动力进给机构，各液压缸的活塞杆39通过上销轴38与上支座10进行铰接同时缸筒40通过下销轴41与下支座23进行锚定，进而将自对中器4和密封总成5通过液压进给系统2联接在一起，各液压缸的液压油带有一定的压力并通过供油泵34统一供给和多路换向阀单独分配，由此保证活塞杆39可以自动同步轴向推进双钻刀具6，滤油器36用于过滤回油管路中的液压油，过滤后的液压油流回液压油罐35中储存，储能器37则用于卡钻工况下继续提供液压油。

在图8中，开孔控制系统的压力安全阀42通过机械作用及时释放超压工况下密封盒24内的压力，紧急关断阀43则通过实时监测压力并经气电转换器转换信号而自动关闭并停止海底管道开孔部位的油气，避免高压油气持续破坏迷宫密封器22和填料密封器25并泄入到密封盒24中而出现危险工况。

在图9中，该水下带压双钻开孔装置的液压自旋进作业包括液压自进给作业和液压自退刀作业，液压自进给作业流程中，液压多动力进给机构的液压油通过供油泵34和多路换向阀经液压缸缸筒40上的出油口进行回油，活塞杆39开始提供回缩的轴向推进动力并推动锁紧体21中的上层限位销自动解锁，且依靠锁紧体21与基筒19间的轴向移动副，活塞杆39带动水下电机7、支撑筒9、空心钻杆11、对中本体17、滑移筒18、上部的自对中器4、外钻头26和内钻头27等部件一起朝下移动，与此同时水下电机7带动空心钻杆11与外钻头26和内钻头27一起旋转，由此液压自进给作业中的外钻头26和内钻头27同时进行轴向推进和周向旋转两个方向的运动，当内钻头27的钻头杆32随切削刃33钻进海底管道开孔部位的管段内同时外钻头26的切削齿29开始接触到海底管道开孔部位的管壁时，内钻头27轴向进给的进程为Δl₁，同时各液压缸的活塞杆39和锁紧体21的限位销沿轴向滑移的位移也为Δl₁；双钻刀具6继续朝下旋进，待外钻头26的切削齿29钻进海底管道开孔部位的管段内同时锁紧体21中的下层限位销滑移至基筒19的下限位孔后，外钻头26继续轴向进给的进程为Δl₂，同时各液压缸的活塞杆39和锁紧体21的限位销沿轴向滑移的位移增量也为Δl₂，紧接着各液压缸的缸筒40出油口停止回油，同时关闭水下电机7。

在图9中，该水下带压双钻开孔装置液压自旋进作业的液压自退刀作业流程中，液压多动力进给机构的液压油通过供油泵34和多路换向阀经缸筒40上的进油口进行通油，活塞杆39开始提供伸长的轴向推进动力并推动锁紧体21中的下层限位销自动解锁，且活塞杆39带动水下电机7、支撑筒9、空心钻杆11、对中本体17、滑移筒18、上部的自对中器4、外钻头26和内钻头27等部件一起朝上移动，待锁紧体21中的上层限位销滑移至基筒19的上限位孔后，外钻头26和内钻头27轴向退刀的进程为Δl₁+Δl₂，同时各液压缸的活塞杆39和锁紧体21的限位销沿轴向滑移的位移也为Δl₁+Δl₂，紧接着各缸筒40的进油口停止通油。

在图10中，该水下带压双钻开孔装置的水下带压双钻开孔作业流程中，整套水下带压双钻开孔装置通过密封盒24的法兰盘、迷宫密封器22的密封盘以及填料密封器25的填料盘接于海底管道接入装置上，且双钻刀具6正对海底管道的开孔部位，依靠水下电机7提供的开孔动力和导向花键12与衬套16间的轴向移动副，外钻头26和内钻头27随空心钻杆11进行液压自进给运动，空心钻杆11旋进中的密封主要依靠迷宫密封器22和填料密封器25形成的填料和迷宫多重密封；双钻开孔作业中，首先内钻头27通过切削刃33在海底管道开孔部位的管壁上钻出小孔实施内钻定位作业，以保证空心钻杆11的上端通过联轴套8和水下电机7最终由支撑筒9进行固定，而空心钻杆11的下端则通过内钻头27的钻盘31最终由钻头杆32进行定位，同时空心钻杆11的中部依据两组双排列圆锥滚子轴承14进行自动对中；紧接着，外钻头26通过切削齿29在海底管道开孔部位的管壁上钻出所需孔径的孔眼，实施外钻开孔作业，最后通过锁紧体21中的下层限位销与基筒19的下限位孔进行双钻开孔作业中的限位。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (10)

1.一种液压自旋进水下带压双钻开孔装置，它与海底管道接入装置有机结合，同时依据内外双层钻头、自动对中机构、上下双向锁紧机构、液压多动力进给机构以及填料和迷宫多重密封技术实现水下海底管道的带压开孔，其特征在于：

一开孔总成；所述开孔总成的水下电机采用充水式高压潜水异步电动机，联轴套采用凸缘式分片构造，而支撑筒则采用厚壁筒体；空心钻杆采用空心管体，其上轴头采用通孔管体，而下轴头则采用盲孔管体，且下轴头的下部加工有分层布置的方孔，上下轴颈的外壁均铣有沿圆周方向均匀排列的花键槽，各花键槽内配置导向花键，轴身上连上轴颈而下接下轴颈；

一双钻刀具；所述双钻刀具采用内外双层同轴心布置的钻头，对海底管道实施先内钻定位和后外钻开孔的带压双钻开孔作业，内钻头采用长杆体，其上端的内钻接头由方径接头和拱形接头组成，钻盘上连内钻接头而下接钻头杆，钻头杆的杆壁上加工有钻槽，钻槽采用双头结构，其槽线为沿内钻头外环面展开的螺旋线，钻头杆垂直于钻槽槽线的法面端面呈拱形，钻头杆底端钻槽的两槽壁上均加工有切削刃，沿切削方向的切削刃依次由主切削刃、切削面和副切削刃组成，主切削刃和副切削刃在切削面上的刃线交错处加工有横刃；外钻头采用扁平状筒体，外钻头筒体的下端加工有沿圆周方向均匀布置的切削齿，切削齿的轮廓线采用组合曲线，同时外钻头筒体的外壁上加工有螺旋沟槽，各螺旋沟槽与切削齿交错排列，螺旋沟槽外宽内窄，且螺旋沟槽内钻有分层布置的圆孔；

一密封总成；所述密封总成依据填料和迷宫多重密封技术实现空心钻杆的密封，并将密封盒的环腔分隔成上下两个密封腔，下支座均匀分布于迷宫密封器中密封盘的外环面，密封盒采用长筒体，迷宫密封器采用上下双层盘式迷宫密封，其密封盘的环腔内壁加工有等间距分层排列的环形凹槽，同时密封环的外壁相同位置处设置同样规格的环形凹槽，密封盘和密封环的各环形凹槽对称布置并构成分层的环形油腔，填料密封器采用圆盘式构造；

一自对中器；所述自对中器依据上下同轴心布置的双排列圆锥滚子轴承组成自动对中机构而实现空心钻杆旋进过程中的自动对中，自对中器含有上下布置的两个结构和规格尺寸完全相同的单体，每列圆锥滚子轴承配置一个轴承端盖，轴承端盖的侧端设有圆环形凸台；对中本体采用圆盘式构造，其中央钻有轴承孔，该轴承孔呈圆柱形且内嵌与之过盈配合的双排列圆锥滚子轴承，对中本体中部的盘壁上车制有带螺纹的注油孔并内嵌入注油管，注油管采用环形管体并与注油塞进行联接；衬套的中部设置有台肩，其环腔内壁上钻有等间距分层布置的盲孔并铣有沿圆周方向均匀布置的导向沟槽，上支座均匀分布于对中本体的外环面；

一双向限位器；所述双向限位器依据上下双向锁紧机构实现钻头开孔过程中的自动双向限位，限位本体采用圆柱形厚壁筒体，其筒壁上钻有分层排列的柱形盲孔，每个柱形盲孔的底部加工有定位轴；锁紧体配置于限位本体的各柱形盲孔内，其限位销采用阶梯轴结构，限位销的滑移销靠近基筒的端部设置锲形坡口，滑移销的外侧端面采用拱形柱面，而其内侧端面与定位销的截面变化处形成轴肩，共同定位贯穿其外的弹簧；基筒和滑移筒均采用长筒体构造，滑移筒下部的筒壁上钻有分层排列的圆形孔眼，基筒中上限位孔的孔壁上切有与上层限位销相配合的锲形坡口，同时其下限位孔的孔壁上切有与下层限位销相配合的锲形坡口，且基筒内壁沿各上限位孔和下限位孔间的位置铣有滑移沟槽，各滑移沟槽的截面呈拱形；

一液压进给系统；所述液压进给系统依据液压多动力进给机构和导向机构完成双钻刀具的液压自旋进功能，它采用沿轴向均匀布置的四个独立液压缸，供油泵采用变排量柱塞泵，供油泵排出的液压油流量可以从零无级调整至最大量，液压油罐采用方形储罐；

一开孔控制系统；所述开孔控制系统设置压力安全阀用于密封总成超压工况时的压力及时释放，并通过紧急关断阀远程自动关闭并停止原有海底管道内油气的泄入。

2.根据权利要求1所述的液压自旋进水下带压双钻开孔装置，其特征在于：所述开孔总成中水下电机的转子采用永磁材料制造，且其定子电流的无功分量小；

所述开孔总成中空心钻杆的外环面采用变截面阶梯回转面，上轴头的外壁上铣有平键槽，而下轴头的下端设置法兰盘并通过紧定螺钉而下接双钻刀具，同时下轴头下部的下层方孔两侧面钻有拱形孔壁；上下轴颈的杆径相等，而上轴颈的杆长则小于下轴颈的杆长，且下轴颈的杆长大于双钻刀具液压自旋进运动的进程，同时轴身的杆径与上下轴头的杆径相等；

所述开孔总成中各导向花键顶部的拱形柱面处于与空心钻杆同轴心的同一圆柱面上。

3.根据权利要求1所述的液压自旋进水下带压双钻开孔装置，其特征在于：所述双钻刀具中内钻头上端的内钻接头与空心钻杆下轴头的方孔相配合，钻头杆的钻槽沿内钻头的轴线对称布置，钻槽槽线起始点的切线与内钻头的轴线相平行，且钻槽槽线的展开线与内钻头轴线间的螺旋角小于40°；钻头杆垂直于钻槽槽线的法面端面的宽度由下而上先是保持不变，而后在钻槽槽线顶端的二分之一螺距处开始逐渐收缩并在钻槽槽线的终点处缩为一点；切削刃的切削面呈倒圆锥面，其锥度大于135°，切削面的中心线与内钻头的轴线重合，且主切削刃和副切削刃的刃线均为切削面上的一条锥线，横刃的刃线与主切削刃刃线间的夹角小于45°。

4.根据权利要求1所述的液压自旋进水下带压双钻开孔装置，其特征在于：所述双钻刀具中外钻头的外径等于海底管道开孔的直径，外钻头筒体上端的盘体中央加工有与空心钻杆下轴头的下层方孔相同形状和规格的方孔，并与内钻头的拱形接头相配合；切削齿沿切削方向的轮廓线呈下凹弧线，该下凹弧线下端点的切线与外钻头的轴线相平行，而切削齿逆着切削方向的轮廓线上部呈下凹弧线而轮廓线下部呈上凸弧线，逆着切削方向的下凹弧线与上凸弧线的结合处相切，且逆着切削方向的上凸弧线与沿切削方向下凹弧线下端交点处的切线与外钻头的轴线相垂直，而逆着切削方向的下凹弧线与沿切削方向下凹弧线上端的结合处相切；外钻头筒体外壁上螺旋沟槽的槽宽等于切削齿的齿隙，螺旋沟槽的槽线为沿外钻头筒体外环面展开的螺旋线，垂直于螺旋沟槽槽线的法面端面为等腰梯形，螺旋沟槽内各层间的圆孔交错排列且圆孔的孔径由下而上依次减小。

5.根据权利要求1所述的液压自旋进水下带压双钻开孔装置，其特征在于：所述密封总成中密封盒的两密封腔内填满含冷却液和防腐剂的钻孔液，密封盒同轴心对称布置于上部自对中器的两侧端；而迷宫密封器同轴心对称布置于密封盒的两侧端，其密封盘和密封环的各环形油腔及其联通的空腔内均填充满油液而形成迷宫密封，密封环的环腔内壁沿轴向均匀布置有沟槽；填料密封器中填料盘的环腔内壁采用阶梯回转面，其变截面结合处配置压盖。

6.根据权利要求1或2所述的液压自旋进水下带压双钻开孔装置，其特征在于：所述自对中器中轴承端盖侧端的圆环形凸台的外径小于圆锥滚子轴承外圈的直径，以实现圆锥滚子轴承外圈的定位；

所述自对中器的衬套配置于两个圆锥滚子轴承之间并分别套于空心钻杆上下轴颈的外环面上，衬套的外环面与圆锥滚子轴承的内圈间采用过盈配合，同时衬套中部台肩的外径小于圆锥滚子轴承内圈的外径，并实现圆锥滚子轴承内圈的定位；衬套环腔内壁上各层面间的盲孔交错排列，各盲孔内充满油液而使衬套与空心钻杆上下轴颈的接触面间始终保持有油膜；衬套环腔内壁的各导向沟槽的槽宽及其位置与空心钻杆上下轴颈的花键槽相同，且各导向沟槽的槽顶面加工有与导向花键顶部相同的拱形柱面，同时各导向沟槽的槽壁与导向花键精密配合而组成单自由度的轴向移动副。

7.根据权利要求1所述的液压自旋进水下带压双钻开孔装置，其特征在于：所述双向限位器中限位本体的环腔内壁与空心钻杆的轴身精密配合而构成转动副，限位本体筒壁上的每层柱形盲孔沿圆周方向均匀布置，柱形盲孔底部的定位轴变截面结合处形成轴肩来定位贯穿其外的弹簧；限位销中滑移销的外环面与限位本体柱形盲孔的孔壁间采用间隙配合同时与滑移筒的圆形孔眼精密配合而构成移动副；滑移销中的上层限位销的锲形坡口朝下布置而下层限位销的锲形坡口朝上布置，由此实现锁紧体的上下双向自动解锁，滑移销的拱形柱面与基筒内壁滑移沟槽精密配合而组成单自由度的轴向移动副；

所述基筒和滑移筒由外而内同轴心布置，基筒的环腔内壁与滑移筒的外表面精密配合而构成移动副，滑移筒下部筒壁上的各圆形孔眼分别与限位本体的柱形盲孔一一对应；基筒的上部和下部分别钻有与滑移筒圆形孔眼同样数量和规格大小的上限位孔和下限位孔。

8.根据权利要求1所述的液压自旋进水下带压双钻开孔装置，其特征在于：所述液压进给系统依据双向限位器中限位销和基筒内壁滑移沟槽间的配合以及开孔总成中导向花键和自对中器中衬套内壁导向沟槽间的配合共同构成导向机构；液压进给系统所有独立液压缸的液压油均通过供油泵统一供给和多路换向阀单独分配，实现双钻刀具的自动同步旋进，供油泵保证空心钻杆进给运动的速度可以从零到最大连续变化；储能器用于卡钻工况下继续提供带有压力的液压油并将液压油供给至液压缸，由此控制工作负载并持续进行钻孔；

所述开孔控制系统设置压力安全阀，开孔后，原有海底管道内的油气流入密封总成而导致其密封盒出现超压工况时，压力安全阀通过机械作用及时释放压力；开孔控制系统通过实时监测密封总成内的压力状况，并经气电转换器将超压信号转换成气信号，自动控制密封盒上的紧急关断阀，进而关闭并停止原有海底管道内的油气向密封盒中继续泄入。

9.根据权利要求1所述的液压自旋进水下带压双钻开孔装置，其特征在于：所述液压自旋进水下带压双钻开孔装置的液压自旋进作业流程为，打开液压进给系统，各液压缸的液压油通过供油泵和多路换向阀经缸筒的出油口进行回油，双向限位器中上层限位销自动解锁，依据活塞杆提供的轴向推进动力以及上层和下层限位销与基筒内壁滑移沟槽间所构成的轴向移动副，开孔总成、双向限位器的滑移筒、上部的自对中器和双钻刀具一起沿着基筒朝下移动，在此过程中，开孔总成提供开孔动力并经空心钻杆完成双钻刀具的旋转运动，待双向限位器中下层限位销滑移至基筒的下限位孔后，各液压缸的出油口停止回油，同时关闭开孔总成的水下电机，由此完成液压自进给作业；然后，各液压缸的液压油经缸筒进油口进行通油，下层限位销自动解锁，依据活塞杆提供的轴向推进动力以及上层和下层限位销与基筒间的轴向移动副，开孔总成、滑移筒、上部自对中器和双钻刀具一起沿着基筒朝上移动，待上层限位销滑移至基筒的上限位孔后，各液压缸的进油口停止通油，由此完成液压自退刀作业。

10.根据权利要求1所述的液压自旋进水下带压双钻开孔装置，其特征在于：所述液压自旋进水下带压双钻开孔装置的水下带压双钻开孔作业流程为，依据液压进给系统提供朝下的轴向推进动力和下部自对中器衬套的导向沟槽与开孔总成导向花键间所构成的轴向移动副，双钻刀具随空心钻杆进行液压自进给运动，同时通过开孔总成完成旋转运动并经空心钻杆将动力传递至双钻刀具，首先通过内钻头对海底管道实施内钻定位作业，然后双钻刀具继续旋进，再通过外钻头对海底管道实施外钻开孔作业，待双向限位器中下层限位销滑移至基筒的下限位孔后双钻开孔作业结束，双钻刀具退刀时所钻下来的海底管道切片位于内钻头和外钻头之间的环形空腔中并随空心钻杆一起退回；双钻刀具旋进过程中，自对中器依据两组双排列圆锥滚子轴承保证空心钻杆和双钻刀具始终自动对中，同时密封总成依据填料和迷宫多重密封技术实现双钻刀具随空心钻杆旋进中的密封。